Cestování časem

Některé teorie, především speciální a obecná teorie relativity, naznačují, že vhodné geometrie časoprostoru nebo specifické typy pohybů v prostoru by mohly umožnit cestování časem do minulosti a budoucnosti, pokud by tyto geometrie nebo pohyby byly možné. 499 V odborných článcích fyzikové diskutují o možnosti uzavřených časových křivek, což jsou světové čáry, které tvoří uzavřené smyčky v časoprostoru a umožňují objektům návrat do vlastní minulosti. Jsou známa řešení rovnic obecné relativity, která popisují prostoročasy obsahující uzavřené časoprostorové křivky, například Gödelův prostoročas, ale fyzikální věrohodnost těchto řešení je nejistá.

Mnozí členové vědecké komunity se domnívají, že zpětné cestování v čase je velmi nepravděpodobné. Jakákoli teorie, která by umožnila cestování v čase, by přinesla potenciální problémy s kauzalitou. Klasickým příkladem problému zahrnujícího kauzalitu je „paradox dědečka“: co kdyby se člověk vrátil v čase a zabil vlastního dědečka dříve, než byl počat jeho otec? Někteří fyzikové, například Novikov a Deutsch, navrhli, že těmto druhům časových paradoxů se lze vyhnout pomocí Novikovova principu autokonzistence nebo varianty interpretace mnoha světů s interagujícími světy.

Obecná relativita

Cestování časem do minulosti je teoreticky možné v určitých geometriích obecného relativistického prostoročasu, které umožňují cestovat rychleji než rychlostí světla, jako jsou kosmické struny, průchozí červí díry a Alcubierrovy pohony.:33-130 Teorie obecné relativity skutečně naznačuje vědecký základ pro možnost cestování časem zpět v určitých neobvyklých scénářích, ačkoli argumenty semiklasické gravitace naznačují, že po začlenění kvantových efektů do obecné relativity mohou být tyto mezery uzavřeny. Tyto semiklasické argumenty vedly Stephena Hawkinga k formulaci domněnky o ochraně chronologie, která naznačuje, že základní přírodní zákony brání cestování v čase, ale fyzikové nemohou dospět k definitivnímu úsudku o této otázce bez teorie kvantové gravitace, která by spojila kvantovou mechaniku a obecnou teorii relativity do zcela jednotné teorie. 150

Různé geometrie prostoročasu

Teorie obecné relativity popisuje vesmír podle systému rovnic pole, které určují metriku neboli funkci vzdálenosti prostoročasu. Existují přesná řešení těchto rovnic, která zahrnují uzavřené časové křivky, což jsou světové čáry, které se protínají; některý bod v kauzální budoucnosti světové čáry je zároveň v její kauzální minulosti, což je situace, kterou lze popsat jako cestování v čase. Takové řešení poprvé navrhl Kurt Gödel, řešení známé jako Gödelova metrika, ale jeho (a dalších) řešení vyžaduje, aby vesmír měl fyzikální vlastnosti, které podle všeho nemá,:499 jako je rotace a absence Hubblovy expanze. Zda obecná relativita za všech reálných podmínek zakazuje uzavřené časové křivky, se stále zkoumá.

Wormholes

Červí díry jsou hypoteticky pokřivený prostoročas, který umožňují Einsteinovy polní rovnice obecné relativity. 100 Navrhovaný stroj na cestování časem pomocí překonatelné červí díry by hypoteticky fungoval následujícím způsobem: Jeden konec červí díry je urychlen na nějakou významnou část rychlosti světla, možná pomocí nějakého pokročilého pohonného systému, a pak se vrátí zpět do výchozího bodu. Další možností je vzít jeden vstup do červí díry a přesunout jej do gravitačního pole objektu, který má vyšší gravitaci než druhý vstup, a pak jej vrátit do polohy poblíž druhého vstupu. U obou těchto způsobů způsobí dilatace času, že přesunutý konec červí díry zestárne méně nebo se stane „mladším“ než nehybný konec, jak ho vidí vnější pozorovatel; čas se však červí dírou spojuje jinak než mimo ni, takže synchronizované hodiny na obou koncích červí díry zůstanou vždy synchronizované, jak je vidí pozorovatel procházející červí dírou, bez ohledu na to, jak se oba konce pohybují.:502 To znamená, že pozorovatel, který by vstoupil na „mladší“ konec, by opustil „starší“ konec v době, kdy by byl stejně starý jako „mladší“ konec, a fakticky by se vrátil v čase, jak ho vidí pozorovatel zvenčí. Jedním z významných omezení takového stroje času je, že je možné jít pouze tak daleko v čase, jak daleko bylo počáteční vytvoření stroje;:503 v podstatě se jedná spíše o cestu časem než o zařízení, které by se samo pohybovalo časem, a neumožňovalo by samotnou technologii posunout zpět v čase.

Podle současných teorií o povaze červích děr by konstrukce průchozí červí díry vyžadovala existenci látky se zápornou energií, často označované jako „exotická hmota“. Odborněji řečeno, časoprostor červí díry vyžaduje rozložení energie, které porušuje různé energetické podmínky, například podmínku nulové energie spolu s podmínkami slabé, silné a dominantní energie. Je však známo, že kvantové efekty mohou vést k malým měřitelným porušením podmínky nulové energie:101 a mnoho fyziků se domnívá, že požadovaná záporná energie může být skutečně možná díky Casimirovu jevu v kvantové fyzice. Ačkoli první výpočty naznačovaly, že by bylo zapotřebí velmi velké množství záporné energie, pozdější výpočty ukázaly, že množství záporné energie může být libovolně malé.

V roce 1993 Matt Visser tvrdil, že dvě ústí červí díry s takovým indukovaným rozdílem hodin nelze spojit, aniž by se vyvolalo kvantové pole a gravitační efekty, které by buď způsobily kolaps červí díry, nebo by se obě ústí navzájem odpuzovala. Z tohoto důvodu by se obě ústí nemohla přiblížit natolik, aby došlo k porušení kauzality. V článku z roku 1997 však Visser vyslovil hypotézu, že složitá konfigurace „římského prstence“ (pojmenovaná podle Toma Romana) tvořená N počtem červích děr uspořádaných do symetrického mnohoúhelníku by přesto mohla fungovat jako stroj času, ačkoli dospěl k závěru, že jde spíše o chybu v klasické teorii kvantové gravitace než o důkaz, že porušení kauzality je možné.

Další přístupy založené na obecné teorii relativity

Jiný přístup zahrnuje hustý rotující válec obvykle označovaný jako Tiplerův válec, řešení GR objevené Willemem Jacobem van Stockumem v roce 1936 a Kornelem Lanczosem v roce 1924, ale neuznané jako umožňující uzavřené časové křivky:21 až do analýzy Franka Tiplera v roce 1974. Pokud je válec nekonečně dlouhý a otáčí se dostatečně rychle kolem své dlouhé osy, pak by kosmická loď letící kolem válce po spirálové dráze mohla cestovat zpět v čase (nebo vpřed, v závislosti na směru své spirály). Potřebná hustota a rychlost je však tak velká, že běžná hmota není dostatečně silná na to, aby ji zkonstruovala. Podobné zařízení by bylo možné sestrojit z kosmické struny, ale žádná taková není známa a nezdá se, že by bylo možné vytvořit novou kosmickou strunu. Fyzik Ronald Mallett se pokouší znovu vytvořit podmínky rotující černé díry pomocí prstencových laserů, aby ohnul časoprostor a umožnil cestování v čase.

Zásadnější námitku proti schématům cestování časem založeným na rotujících válcích nebo kosmických strunách předložil Stephen Hawking, který dokázal větu ukazující, že podle obecné teorie relativity není možné postavit stroj času speciálního typu („stroj času s kompaktně generovaným Cauchyho horizontem“) v oblasti, kde je splněna podmínka slabé energie, což znamená, že tato oblast neobsahuje žádnou hmotu se zápornou hustotou energie (exotickou hmotu). Řešení, jako je Tiplerovo, předpokládá válce nekonečné délky, které se snáze matematicky analyzují, a přestože Tipler naznačil, že konečný válec může vytvářet uzavřené časové křivky, pokud je rychlost rotace dostatečně rychlá,:169 nedokázal to. Hawking však upozorňuje, že kvůli jeho teorému „to nelze provést s kladnou hustotou energie všude! Mohu dokázat, že k sestrojení stroje konečného času potřebujete zápornou energii. „96 Tento výsledek pochází z Hawkingova článku z roku 1992 o domněnce o ochraně chronologie, kde zkoumá „případ, kdy se porušení kauzality objeví v konečné oblasti prostoročasu bez singularit křivosti“, a dokazuje, že „bude existovat Cauchyho horizont, který je kompaktně generován a který obecně obsahuje jednu nebo více uzavřených nulových geodetik, které budou neúplné. Lze definovat geometrické veličiny, které měří Lorentzův nárůst a nárůst plochy při obcházení těchto uzavřených nulových geodetik. Pokud se porušení kauzality vyvinulo z nekompaktní počáteční plochy, musí být na Cauchyho horizontu porušena zprůměrovaná podmínka slabé energie.“ Tato věta nevylučuje možnost cestování časem pomocí strojů času s nekompaktně generovanými Cauchyho horizonty (jako je Deutschův-Politzerův stroj času) nebo v oblastech, které obsahují exotickou hmotu, což by se využilo pro průchozí červí díry nebo Alcubierrův pohon a černou díru.

Kvantová fyzika

Věta o nekomunikaci

Když je signál vyslán z jednoho místa a přijat na jiném místě, pak pokud se signál pohybuje rychlostí světla nebo pomaleji, matematika simultaneity v teorii relativity ukazuje, že všechny vztažné rámce souhlasí s tím, že událost vysílání nastala před událostí přijetí. Pokud se signál pohybuje rychleji než světlo, je ve všech vztažných rámcích přijat dříve než vyslán. Dalo by se říci, že se signál posunul v čase zpět. Tento hypotetický scénář se někdy označuje jako tachyonový antitelephone.

Kvantově-mechanické jevy, jako je kvantová teleportace, EPR paradox nebo kvantové provázání, mohou zdánlivě vytvářet mechanismus, který umožňuje komunikaci rychlejší než světlo (FTL) nebo cestování v čase, a ve skutečnosti některé interpretace kvantové mechaniky, jako je Bohmova interpretace, předpokládají, že některé informace se mezi částicemi vyměňují okamžitě, aby se zachovaly korelace mezi částicemi. Einstein tento efekt označil jako „strašidelné působení na dálku“.

Nicméně skutečnost, že kauzalita je v kvantové mechanice zachována, je v moderních kvantových teoriích pole rigorózním výsledkem, a proto moderní teorie cestování v čase nebo nadsvětelnou komunikaci neumožňují. V každém konkrétním případě, kdy byla nadsvětelná rychlost tvrzena, podrobnější analýza prokázala, že k získání signálu musí být použita také nějaká forma klasické komunikace. Věta o nekomunikaci také poskytuje obecný důkaz, že kvantové provázání nelze použít k přenosu informace rychleji než klasický signál.

Interakční interpretace mnoha světů

Varianta interpretace mnoha světů (MWI) Hugha Everetta v kvantové mechanice poskytuje řešení paradoxu dědečka, který spočívá v tom, že cestovatel v čase přijde do jiného vesmíru, než ze kterého přišel; tvrdí se, že jelikož cestovatel přijde do historie jiného vesmíru, a ne do své vlastní historie, nejedná se o „pravé“ cestování časem. Přijatá interpretace mnoha světů předpokládá, že všechny možné kvantové události mohou nastat ve vzájemně se vylučujících historiích. Některé varianty však umožňují interakci různých vesmírů. Tento koncept se nejčastěji používá ve vědeckofantastické literatuře, ale někteří fyzici, jako například David Deutsch, navrhují, aby cestovatel v čase skončil v jiné historii, než ze které vyšel. Na druhou stranu Stephen Hawking tvrdil, že i kdyby byl MWI správný, měli bychom očekávat, že každý cestovatel v čase zažije jedinou sebekonzistentní historii, takže cestovatelé v čase zůstanou ve svém vlastním světě a nebudou cestovat do jiného. Fyzik Allen Everett tvrdil, že Deutschův přístup „zahrnuje modifikaci základních principů kvantové mechaniky; rozhodně jde nad rámec prostého přijetí MWI“. Everett také tvrdí, že i kdyby byl Deutschův přístup správný, znamenalo by to, že jakýkoli makroskopický objekt složený z více částic by se při cestě zpět v čase červí dírou rozdělil a různé částice by se objevily v různých světech.

Výsledky experimentů

Některé provedené experimenty vyvolávají dojem obrácené kauzality, ale při bližším zkoumání ji neprokazují.

Experiment se zpožděnou volbou kvantové gumy, který provedl Marlan Scully, zahrnuje dvojice propletených fotonů, které jsou rozděleny na „signální fotony“ a „nečinné fotony“, přičemž signální fotony vycházejí z jednoho ze dvou míst a jejich poloha je později měřena stejně jako v experimentu s dvojitou štěrbinou. V závislosti na tom, jak je změřen nečinný foton, může experimentátor buď zjistit, ze kterého ze dvou míst vyšel signální foton, nebo tuto informaci „vymazat“. Přestože signální fotony mohou být změřeny dříve, než je provedena volba ohledně idlerových fotonů, zdá se, že tato volba zpětně určuje, zda je pozorován interferenční obrazec, nebo ne, když se měření idlerových fotonů koreluje s odpovídajícími signálními fotony. Protože však interferenci lze pozorovat až poté, co jsou změřeny volnoběžné fotony a jsou korelovány se signálními fotony, neexistuje způsob, jak by experimentátoři mohli předem říci, jaká volba bude provedena pouhým pohledem na signální fotony, pouze shromážděním klasických informací z celého systému; kauzalita je tedy zachována.

Pokus Lijuna Wanga by také mohl vykazovat porušení kauzality, protože umožnil posílat balíčky vln přes baňku s cesiovým plynem takovým způsobem, že se zdálo, že balíček opouští baňku 62 nanosekund před svým vstupem, ale balíček vln není jediný přesně definovaný objekt, ale spíše součet více vln různých frekvencí (viz Fourierova analýza), a balíček se může zdát, že se pohybuje rychleji než světlo nebo dokonce zpět v čase, i když tak nečiní žádná z čistých vln v tomto součtu. Tento efekt nelze použít k vyslání jakékoli hmoty, energie nebo informace rychleji než světlo, takže ani tento experiment není chápán jako porušení kauzality.

Fyzikové Günter Nimtz a Alfons Stahlhofen z univerzity v Koblenci tvrdí, že porušili Einsteinovu teorii relativity tím, že vysílali fotony rychleji než rychlostí světla. Tvrdí, že provedli experiment, při němž se mikrovlnné fotony „okamžitě“ šířily mezi dvojicí hranolů, které byly od sebe vzdáleny až 3 stopy (0,91 m), a to pomocí jevu známého jako kvantové tunelování. Nimtz řekl časopisu New Scientist: „Prozatím je to jediné porušení speciální teorie relativity, o kterém vím.“ Jiní fyzikové však tvrdí, že tento jev neumožňuje přenášet informace rychleji než světlo. Aephraim Steinberg, odborník na kvantovou optiku z Torontské univerzity v Kanadě, používá analogii s vlakem, který jede z Chicaga do New Yorku, ale na každé stanici po cestě vysazuje vagony, takže střed vlaku se na každé zastávce pohybuje vpřed; rychlost středu vlaku tak převyšuje rychlost kteréhokoli z jednotlivých vagonů.

Shengwang Du v odborném časopise tvrdí, že pozoroval prekurzory jednotlivých fotonů, a tvrdí, že se ve vakuu nepohybují rychleji než c . Jeho experiment zahrnoval pomalé světlo i průchod světla vakuem. Vytvořil dva jednotlivé fotony, přičemž jeden z nich prošel přes atomy rubidia, které byly ochlazeny laserem (čímž se světlo zpomalilo), a druhý prošel vakuem. V obou případech zřejmě předcházely prekurzory hlavním tělesům fotonů a prekurzor se ve vakuu pohyboval rychlostí c. Podle Dua z toho vyplývá, že neexistuje možnost, aby se světlo pohybovalo rychleji než c, a tedy ani možnost porušení kauzality.

Neexistence cestovatelů časem z budoucnosti

Krononauti

Mnozí tvrdí, že neexistence cestovatelů časem z budoucnosti ukazuje, že taková technologie nebude nikdy vyvinuta, což naznačuje, že je nemožná. Jedná se o obdobu Fermiho paradoxu souvisejícího s absencí důkazů o mimozemském životě. Stejně jako nepřítomnost mimozemských návštěvníků kategoricky nedokazuje, že neexistují, tak ani nepřítomnost cestovatelů časem nedokazuje, že cestování časem je fyzikálně nemožné; může se stát, že cestování časem je fyzikálně možné, ale není nikdy vyvinuto nebo je opatrně využíváno. Carl Sagan kdysi navrhl možnost, že cestovatelé v čase zde mohou být, ale svou existenci maskují nebo nejsou jako cestovatelé v čase rozpoznáni. Některé verze obecné teorie relativity naznačují, že cestování časem by mohlo být možné pouze v oblasti časoprostoru, která je určitým způsobem pokřivená, a tudíž by cestovatelé časem nemohli cestovat zpět do dřívějších oblastí časoprostoru, než tato oblast existovala. Stephen Hawking prohlásil, že by to vysvětlovalo, proč svět ještě nebyl zaplaven „turisty z budoucnosti“.

Bylo provedeno několik experimentů, které se snažily nalákat lidi z budoucnosti, kteří by mohli vynalézt technologii cestování v čase, aby se vrátili a předvedli ji lidem ze současnosti. Akce jako Perth’s Destination Day nebo MIT’s Time Traveler Convention silně propagovaly stálé „reklamy“ na čas a místo setkání budoucích cestovatelů časem. V roce 1982 uspořádala v Baltimoru ve státě Maryland skupina, která se označila jako Krononauti, akci tohoto typu vítající návštěvníky z budoucnosti. Tyto experimenty stály pouze na možnosti získat pozitivní výsledek prokazující existenci cestování v čase, ale zatím selhaly – není známo, že by se některé z těchto akcí zúčastnili cestovatelé v čase. Některé verze interpretace mnoha světů lze použít k domněnce, že lidé z budoucnosti cestovali zpět v čase, ale cestovali zpět do času a místa setkání v paralelním vesmíru.

.